Matine Weidinger, Hochschule Bremerhaven

Ich studiere seit Oktober 2023 „Biotechnologie der marinen Ressourcen“ an der Hochschule Bremerhaven. Seit Beginn arbeite ich als studentische Hilfskraft in der Arbeitsgruppe Bionischer Leichtbau am AWI, was mir viel Freude bereitet. Nicht nur die spannende Thematik rundum Meeresforschung, Bionik und speziell bionischer Leichtbau ist beeindruckend, sondern auch die tolle Arbeitsatmosphäre im Team. Meine Aufgaben hier sind so vielfältig wie auch die Arbeitsinhalte in der Arbeitsgruppe und gehen von Mikroskopieren über Recherchearbeit bis hin zur Raumgestaltung und Organisation.

Naman Daga, Delhi Technological University

By harnessing the principles of diatom lightweight design, biomimetic materials can be engineered to optimize strength-to-weight ratios, resulting in enhanced performance and energy efficiency. This approach holds promise for creating durable yet lightweight structures that can be employed in diverse fields, such as construction, where the demand for robust materials with reduced environmental impact is ever-increasing.

My responsibilities involve extracting data from diverse diatom species using a confocal laser scanning microscope. I utilize software like SVI Huygens and Amira 3D to derive 3D structural data from the scans, aiming to closely replicate the original diatom characteristics.

Timo Wottke, Technische Universität Dresden, Projektarbeit

Kieselalgen sind durch Angriffe natürlicher Fressfeine variablen Kräften aus unterschiedlichen Richtungen ausgesetzt. Durch Evolution haben sie komplexe Schalenstrukturen ausgebildet, welche äußerst robust auf Veränderungen der Belastung reagieren, aber gleichzeitig ein möglichst geringes Gewicht aufweisen. Ein ähnliches Problem gibt es auch bei technischen Anwendungen.

So kommt es bei Bauteilen, welche eine Topologieoptimierung zur Masseneinsparung durchlaufen haben, schnell zum Versagen, wenn eine unvorhergesehene moderate Belastung (z.B. durch unsachgemäße Verwendung) auftritt. Der Inhalt meiner Arbeit ist es, zu untersuchen, inwiefern die Robustheit von Leichtbaustrukturen durch Anwendung biologisch inspirierter Designprinzipien erhöht werden kann.

Leopold Bergk, Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg, Master-Thesis

Die echten Tintenfische (Sepia officinalis L.) zeichnen sich durch ihren Rückenknochen aus, der als Schulp bezeichnet wird. Dieser besteht aus dünnen Schichten, die mit aufrechten Wänden verbunden sind und die Struktur des Knochens hohl, porös und leicht macht. Die Struktur des Schulps dient als Skelettstruktur, aber auch als Gastank, wodurch in der hohlen Struktur ein statischer Auftrieb erzeugt werden kann und der Tintenfisch leicht seine Position im Wasser halten kann. Um den statischen Druckunterschieden in weiter Meerestiefe standzuhalten, gilt die Struktur als besonders widerstandsfähig gegenüber Belastungen und der Aufbau ermöglicht eine hohe Energieabsorbierung. 

Durch die hervorragenden Eigenschaften, wird im Rahmen der Masterarbeit die Struktur des Schulps als Vorbild für mögliche Energieabsorbierungsanwendungen genutzt und untersucht. Dafür wird die Struktur abstrahiert und durch unfallähnliche Belastungen numerisch simuliert.

Ranganayagi Venkatmohan, Universität Duisburg-Essen, Master Thesis

Das Bestreben, eine Konstruktion so anzupassen, dass das Verhältnis von Nutzgewicht zu Eigengewicht steigt, ohne die Funktion zu beeinträchtigen, wird als Leichtbau bezeichnet. Überall in der Natur finden sich gitterartige Zellstrukturen, die leichten Materialien eine erhöhte Festigkeit und Flexibilität verleihen. Als Beispiel hierfür können Bienenwaben, Knochen oder Meeresschwämme angesehen werdem. In ähnlicher Weise können Konstrukteure Gitter nutzen, um die Leistung ihrer Designs zu verbessern.

Das Hauptziel in meiner Masterarbeit ist es, zu untersuchen, ob unregelmäßige Gitterstrukturen ein besseres Dämpfungspotenzial aufweisen als regelmäßige Gitterstrukturen. Zu diesem Zweck werden regelmäßige und unregelmäßige Gitterstrukturen mit Hilfe der Software ELISE entworfen, die systematische Techniken und Optimierungsansätze für die Herstellung leistungsstarker Leichtbaulösungen bietet. Mit Hilfe der additiven Fertigung werden die optimierten Gitterstrukturen in einem Prototypen realisisert und anschließend auf einem Schwingtisch experimentell untersucht. Schließlich werden die Eigenfrequenzen und die Dämpfungseigenschaften numerisch und mit der FEM-Software Hyperworks (Optistruct) untersucht und ausgewertet, um sicherzustellen, dass die experimentellen und die Simulationsergebnisse übereinstimmen, womit das Hauptziel dieser Arbeit erreicht wird.

Landry Nennig, Ecole Nationale d‘Ingenieurs de Metz France, Masterarbeit

Die genaue Betrachtung von Diatomeen bringt eine große Vielfalt an Ideen und Perspektiven zur Verbesserung unserer bestehenden Produkte und Strukturen hervor. Hierbei kann festgestellt werden, dass die Aufteilung der Materie so erfolgt, dass keine "überschüssige" Masse verwendet wird. Die einzelligen Algen haben nicht nur ein einzigartiges Schalendesign, sondern sind auch für ihre hervorragenden mechanischen Eigenschaften bekannt.
Im Rahmen meiner Masterarbeit werde ich Topologieoptimierungen durchführen, um die bestmögliche Struktur für eine Unterschenkelprothese zu entwickeln, um die hohen Erwartungen an die für sie konstruierten Prothesen hinsichtlich Gewicht und Nachgiebigkeit zu erfüllen. Die Prothese scheint also eine großartige Fallstudie zu sein, um die Diatomeen als Inspiration zu nutzen. Darüber hinaus ist die Perspektive, ein Endprodukt zu realisieren, das aus einem komplizierten Design besteht, heutzutage durch additive Fertigungsverfahren möglich.
Alles in allem wird die Unterschenkelprothese eine brandneue und innovative bio-inspirierte Struktur erhalten, die leichter und leistungsfähiger sein soll als die derzeit auf dem Markt erhältlichen.

Quentin Amsellem, Karlsruher Institut für Technologie, Arts et Métiers ParisTech, Masterarbeit

Auf der einen Seite haben wir Verbundwerkstoffe oder insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Polymere. Mit beeindruckender mechanischer Performance im Verhältnis zu ihrer Masse werden sie oft in der Hochtechnologieindustrie eingesetzt: Sport, Luftfahrt, Raumfahrt, Sportwagen, Design. Auf der anderen Seite haben wir die Natur und ihre wunderbaren Strukturen, die durch jahrelange natürliche Selektion optimiert wurden. Bäume, Pflanzen, Tierskelette, marine Mikroorganismen und so viele andere bieten uns eine unendliche Vielfalt an Ideen.
Was wäre das Ergebnis, wenn wir beides kombinieren würden: Bioinspirierte Strukturen + faserverstärkte Materialien?
Genau diese Frage habe ich mir im Rahmen meiner Masterarbeit gestellt. Am Beispiel einer Unterschenkelprothese untersuche ich den Zusammenhang zwischen einer komplexen bioinspirierten Geometrie und der lokalen Definition eines anisotropen Materials, und ob die Kombination von beidem die Gesamtleistung der Prothese verbessern kann.

Adrien Simon, Swiss Federal Institute of Technology, Masterarbeit

Die Natur bietet uns unendliche Inspirationsquellen und jeder lebende Organismus könnte Gegenstand einer eingehenden Studie sein. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Identifizierung und dem Verständnis struktureller Designprinzipien, die von der Natur für gutes Design verwendet werden.
Kieselalgen selbst sind eine außergewöhnliche Inspirationsquelle für Strukturenthusiasten und dieses Projekt konzentriert sich auf die Kieselalgengattung Rhizosolenia. Die Silikatschale dieser Diatomee ist eine schlanke Röhre, die aus einzigartig geformten "Modulen", den Copulae, besteht. Diese Kieselalge löst das Problem des Aufbaus einer modularen - und dennoch stabilen - Röhre und könnte uns daher bei der Konstruktion ähnlicher Objekte helfen.
Das Ziel dieser Studie ist es, die Leistungskriterien zu verstehen, die zu diesen einzigartigen Copula-Formen geführt haben. Nach der erfolgreichen Konstruktion eines vereinfachten 3D-Modells einer Rhizosolenia-Kopula mit Grasshopper werden Finite-Elemente-Analysen und Optimierungen durchgeführt, um die funktionelle Morphologie dieser Kopulae zu verstehen.